ダークエネルギー：宇宙最大の謎| 科学| スミソニアン - 記事、科学、技術、宇宙

過去4年間、1日2回、週7日、2月から11月にかけて、2人の研究者がフリース、フランネル、ダブルグローブ、ダブルソックス、パッド入りオーバーオール、ふくらんでいる赤いパーカーを身にまとい、サーマルアンダーウェアとアウターウェアを重ねました。双子のミシュランの男性に見えるまで。その後、外に出て、科学ステーション（フーズボール、フィットネスセンター、24時間営業のカフェテリア）の暖かさと現代の便利さを、華氏マイナス100度で、カンザス州よりも平らで地球上で最も寒い場所の1つと交換します。彼らは雪と氷の高原をほぼ1マイルの暗闇で歩き回り、手持ちの裏庭の観測者がこれまでに見たよりも多くの星を背景に、南極望遠鏡の巨大な円盤のシルエットを見分けるまで、彼らはおそらく宇宙で最大の謎を解決するための世界的な努力に参加します：それの大部分は何でできていますか。

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運命の南極航海の残りの写真

何千年もの間、私たちの種は夜空を研究し、他に何かあるのだろうかと考えていました。昨年、ガリレオの答えの400周年を祝いました。ガリレオは天上で新しい計器、望遠鏡を訓練し、他の誰も見たことのない物体を見ました：数百の星、月の山、木星の衛星。それ以来、私たちは他の星の周りに400個以上の惑星、私たちの銀河の1000億個の星、私たち自身を超えた数千億個の銀河、そしてビッグバンのエコーであるかすかな放射線さえ発見しました。

現在、科学者たちは、宇宙のこの贅沢な国勢調査でさえ、ガリレオが古代人から受け継いだ5つの惑星の宇宙と同じくらい時代遅れかもしれないと考えています。天文学者たちは、私たち、あなた、この雑誌、惑星、星、銀河、宇宙のすべての物質など、私たちが常に実際の宇宙と考えてきた証拠が実際に存在するもののわずか4パーセントを表しているという証拠をまとめました。より良い言葉を求めて、彼らは暗闇と呼んでいます。23パーセントは暗黒物質と呼ばれるものであり、73パーセントは暗黒エネルギーと呼ばれるさらに不思議なものです。

「私たちは宇宙の完全な目録を持っています」とカリフォルニア工科大学の宇宙学者であるショーン・キャロルは、「それは意味がありません。」と言いました。

科学者は、暗黒物質が何であるかについていくつかのアイデアを持っています。エキゾチックで、まだ仮説的な粒子ですが、彼らは暗黒エネルギーについてほとんど手掛かりを持っていません。 2003年に、国立研究評議会は、今後数十年間で最も差し迫った科学的問題の1つとして「ダークエネルギーの性質とは何か」を挙げました。報告書を書いた委員会の委員長であるシカゴ大学の宇宙学者マイケル・S・ターナーはさらに進んで、ダークエネルギーを「すべての科学の中で最も深遠なミステリー」としてランク付けします。

それを解決する努力は、物理学と宇宙論の再考に天文学者の世代を動員し、パドヴァの秋の夕方に始まったガリレオの革命に匹敵し、おそらくそれを上回る。彼らは深い皮肉を込めて妥協しつつあります。それは、私たちをほぼ全宇宙に盲目にしているのは視覚そのものです。そして、この失明の認識は、私たちに、あたかも初めてのように、私たちに問いかけるよう促しました。

科学者たちは、1970年代に宇宙に目を合わせる以上のものがあるというコンセンサスに達しました。私たちの銀河、天の川のコンピューターシミュレーションで、理論家は中心が保持されないことを発見しました。私たちが見ることができるものに基づいて、私たちの銀河はすべてを適所に保つのに十分な質量を持っていません。回転すると、星は崩壊し、あらゆる方向に星とガスが放出されます。天の川のような渦巻銀河が重力の法則に違反するか、またはそこから発せられる光-巨大な輝く雲と無数の星から放出される光は、銀河の質量の不正確な指標です。

しかし、銀河の質量の一部が光を放射しなかった場合はどうなりますか？渦巻銀河がそのような謎の質量を十分に含んでいれば、重力の法則に従っている可能性があります。天文学者は目に見えない質量を「暗黒物質」と名付けました。

「すべての物質が放射状に放射されることを誰も教えてくれなかった」と、銀河の回転の観測が暗黒物質の証拠を提供した天文学者のヴェラ・ルービンは言った。「私たちはそれが実際に起こったと仮定しただけです。」

ダークマターを理解する努力は、今後20年間の天文学の多くを定義しました。天文学者は暗黒物質が何であるかを知らないかもしれませんが、その存在を推測することで、彼らは新しい方法で永遠の疑問を追求することができました：宇宙の運命は何ですか？

彼らはすでに宇宙が拡大していることを知っていました。 1929年、天文学者のエドウィンハッブルは、遠方の銀河が私たちから遠ざかっており、遠ざかるほど速く後退しているように見えることを発見しました。

これは急進的なアイデアでした。宇宙がかつてあるように見えた堂々とした、永遠に変わらない静物の代わりに、それは映画のように実際に時間で生きていました。膨張のフィルムを巻き戻すと、宇宙は最終的に無限の密度とエネルギーの状態に到達します。これは天文学者がビッグバンと呼ぶものです。しかし、早送りするとどうなりますか？ストーリーはどのように終わりますか？

宇宙は物質でいっぱいであり、物質は重力によって他の物質を引き付けます。天文学者は、すべての物質間の相互引力が宇宙の膨張を遅くしているに違いないと推論しました。しかし、彼らは最終的な結果がどうなるかを知りませんでした。重力効果は、宇宙が最終的に特定の距離を伸ばし、停止し、空中に投げ出されたボールのようにそれ自体を反転させるほど強力です。それとも、地球が大気圏を去るロケットのように、宇宙がその把握から逃れ、拡大を止めることはないでしょうか？それとも、重力によってゴルディロックスの膨張速度が速すぎず遅すぎないことを保証する、非常にバランスの取れた宇宙に住んでいたのでしょうか。

暗黒物質の存在と重力の法則が普遍的であると仮定すると、天体物理学者の2つのチームは、1つはローレンスバークレー国立研究所のSaul Perlmutter、もう1つはオーストラリア国立大学のBrian Schmidtによって率いられました宇宙の。 1990年代を通じて、ライバルチームは、爆発する恒星や超新星の数個を厳密に分析し、それらの異常に明るい短命の遠い物体を使用して、宇宙の成長を測定しました。彼らは、膨張率が均一であれば、宇宙のさまざまな地点で超新星がどれだけ明るく見えるかを知っていました。超新星が実際にどれだけ明るく見えたかを比較することで、天文学者は、宇宙の膨張がどれだけ減速しているかを判断できると考えました。しかし、天文学者が驚いたことに、60億光年から70億光年離れた宇宙の半分まで見たとき、彼らは超新星が予想より明るくなかったため、近くになかったことを発見しました。それらはより暗く、つまり、より遠くにありました。 2つのチームは両方とも、宇宙の膨張が減速していないと結論付けました。スピードアップしています。

その発見の意味は重要でした：それは、宇宙の進化における支配的な力が重力ではないことを意味しました。それは...他の何かです。 1998年、両チームは調査結果を発表しました。ターナーは「何か」にニックネームを付けました：ダークエネルギー。立ち往生した。それ以来、天文学者は地球の果てまで文字通り暗黒エネルギーの謎を追求してきました。

「南極には地球上で最も過酷な環境がありますが、最も温和です」と、私が訪れたときに南極望遠鏡（SPT）の現場の主任研究者であったカリフォルニア大学バークレーの天体物理学者ウィリアム・ホルザプフェルは言います。

彼は天気について言及していませんでしたが、クリスマスと元日の間の週-南半球の初夏-太陽は24時間輝いており、気温はマイナス1桁にとどまりませんでした（そして1日でもゼロになりました））、そして風はほとんど穏やかでした。ホルザプフェルは、国立科学財団のアムンセンスコットサウスポールステーション（ポールのマークが付いている伝統的なポール自体からの雪だるま）から、ジーンズとランニングシューズを身に着けている望遠鏡まで歩きました。ある午後、望遠鏡の実験室の建物は非常に暖かくなり、乗組員はドアを開けて支えました。

しかし、天文学者の観点からは、太陽が沈んで3月から9月に沈むまで、南極は「良性」になりません。

「6か月間途切れないデータがあります」とHolzapfel氏は言います。南半球の秋と冬の24時間の暗闇の間、望遠鏡は天文学にとって申し分のない条件の下でノンストップで動作します。大気は薄い（極は海抜9, 300フィート以上、そのうち9, 000フィートは氷です）。大気はまた、太陽が昇り沈むことによる加熱と冷却の効果がないため、安定しています。極には地球上で最も穏やかな風がいくつかあり、それらはほとんど常に同じ方向から吹きます。

おそらく望遠鏡にとって最も重要なのは、空気が非常に乾燥していることです。技術的には、南極大陸は砂漠です。（ひざまずいた手は治るのに数週間かかることがあり、発汗は実際には衛生問題ではないので、水を節約するために週に2回のシャワーを制限することはそれほど大きな問題ではありません。クライストチャーチ[ニュージーランド]の税関に戻って、シャワーが必要になります。）SPTは、特に水蒸気に敏感な電磁スペクトルの一部であるマイクロ波を検出します。湿った空気はマイクロ波を吸収して望遠鏡に到達するのを防ぎ、水分はそれ自体の放射を放出しますが、これは宇宙の信号として誤読される可能性があります。

これらの問題を最小限に抑えるために、マイクロ波とサブミリ波を分析する天文学者は、南極を第二の故郷にしました。彼らの器具は、光やその他の電磁放射源が最小限に抑えられている建物の密集したクラスターであるダークセクターにあります。（近隣には、地震学研究のための静かなセクターと、気候プロジェクトのためのクリーンエアセクターがあります。）

天文学者は、より原始的な観測条件を得るには宇宙空間に行く必要があると言いたいのです。これは指数関数的により高価な命題であり、NASAは一般的に科学が地球上で簡単に行えない限り追求しません。（1999年以来、ダークエネルギー衛星が設計図に出入りしており、昨年、NASAのあるアドバイザーによると、昨年は「元の状態に戻った」）。修正するにはスペースシャトルを指揮する必要があります。

米国は1956年以来、ポールで年間を通じて存在し続けており、現在では全米科学財団の米国南極プログラムがそこに生命をもたらし、科学になっています。 2008年まで、駅は雪の上に冠がまだ見える測地線ドームに収容されていました。新しい基地局は、遠隔地の前than基地以上の小さなクルーズ船に似ており、150人以上が眠っています。 2つのフロアに並ぶport窓を通して、あらゆる海のように催眠的に水平になる地平線を考えることができます。新しいステーションは、雪が積もると、2階分のジャッキを積み上げることができるリフトの上にあります。

この超乾燥地域での降雪は最小限であるかもしれませんが、大陸の端から吹き込む雪は依然として混乱をもたらし、SPTの越冬クルーにとってより平凡なタスクの1つを生み出します。暗い月の週に1回、ステーションの人口が約50人に減少すると、2人の現場のSPT研究者は望遠鏡の33フィート幅の電子レンジに登り、掃除しなければなりません。望遠鏡はデータを収集し、それを遠方の研究者のデスクトップに送信します。 2人の「冬越し」もデータに取り組んでおり、まるで故郷に帰っているかのように分析します。しかし、望遠鏡が故障してラップトップのアラームが鳴ると、問題が何であるかを迅速に把握する必要があります。

「1時間のダウンタイムは、数千ドルの観測時間の損失です」と、2008年の2回の越冬の1つであるキース・ヴァンダーリンデは言います。「いつも小さなことがあります。ファンはそこで乾燥しているため、破損し、すべての潤滑油がなくなります。そして、コンピューターが過熱して自動的に電源が切れ、突然ダウンし、その理由がわかりません。その時点では、環境は結局それほど「良性」ではないように見えるかもしれません。 3月から10月にかけて南極を往復するフライトはありません（飛行機のエンジンオイルがゼラチン化するため）。越冬で壊れたものを修正できない場合、壊れたままになります。これはまだ発生していません。

ほとんどの科学よりも、天文学は視覚に依存しています。天文学者が宇宙全体を再考する前に、彼らは最初に暗い部分を知覚する方法を見つけなければなりません。暗黒物質とは何かを知ることは、科学者が宇宙の構造がどのように形成されるかを考えるのに役立ちます。暗黒エネルギーが何をするかを知ることは、科学者がその構造が時間とともにどのように進化したか、そしてそれがどのように進化し続けるかについて考えるのに役立ちます。

科学者には、ダークマターの組成の候補がいくつかあります。ニュートラリーノとアクシオンと呼ばれる仮想粒子です。ただし、ダークエネルギーの場合、課題はそれが何であるかではなく、それがどのようなものかを把握することです。特に、天文学者は、暗黒エネルギーが時空で変化するかどうか、またはそれが一定であるかどうかを知りたいと思っています。それを研究する1つの方法は、いわゆるバリオン音響振動を測定することです。まだ379, 000歳の宇宙がまだ初期段階にあったとき、バリオン（陽子と中性子から作られた粒子）が光子（光のパケット）から分離するのに十分に冷却されました。この分離により、宇宙マイクロ波背景と呼ばれる痕跡が残り、今日でも検出することができます。それには、乳児の宇宙を通過した音波（「音響振動」）が含まれます。これらの振動のピークは、他の宇宙よりもわずかに密度の高い領域を表しています。そして、物質は重力によって物質を引き付けるので、宇宙が老化するにつれて、これらの領域はさらに密になり、最初に銀河に合体し、次に銀河のクラスターに合体します。天文学者が宇宙の歴史のさまざまな段階で、元の宇宙マイクロ波背景振動を銀河の分布と比較すると、宇宙の膨張率を測定できます。

ダークエネルギーを定義する別のアプローチには、重力レンズ効果と呼ばれる方法があります。アルバート・アインシュタインの一般相対性理論によると、宇宙を通過する光のビームは、物質の引力のために曲がっているように見えます。（実際には、曲がるのは空間そのものであり、光はただ乗るだけです。）2つの銀河のクラスターが単一の視線に沿ってある場合、前景クラスターは背景クラスターからの光を歪めるレンズとして機能します。この歪みは、天文学者に前景クラスターの質量を伝えることができます。宇宙のさまざまな部分で数百万の銀河をサンプリングすることにより、天文学者は銀河が時間とともにクラスターに凝集する速度を推定することができ、その速度は宇宙の歴史のさまざまな時点でどれだけ速く膨張したかを伝えます。

南極望遠鏡は、宇宙マイクロ波背景を利用する2人のソビエト物理学者にちなんで名付けられたSunyaev-Zel'dovich効果と呼ばれる3番目の技術を使用します。後者からの光子がクラスター内の高温ガスと相互作用すると、エネルギーがわずかに増加します。このエネルギーを検出することで、天文学者はこれらのクラスターをマッピングし、宇宙の歴史全体での成長に対する暗黒エネルギーの影響を測定できます。それは、少なくとも、希望です。「コミュニティの多くの人々が、健全な懐疑論だと思うものを開発しました。「それは素晴らしいが、お金を見せてくれ」と彼らは言います」と、ホルザプフェルは言います。「そして、1、2年以内に、私たちはそれができるようになるだろうと思います。」

SPTチームは、銀河団に焦点を当てています。これは、銀河団が宇宙で最大の構造であり、多くの場合、数百の銀河で構成されているためです。暗黒エネルギーが宇宙を膨張させようとすると、銀河団の成長はより困難になります。彼らは互いに遠くなり、宇宙はより寒く、孤独になります。

銀河団は「構造形成の点で、炭鉱のカナリアのようなものです」とホルザプフェルは言います。暗黒物質の密度または暗黒エネルギーの特性が変化する場合、クラスターの豊富さは「最初に変更される」でしょう。南極望遠鏡は、時間の経過とともに銀河クラスターを追跡できるはずです。「「何十億年も前に、そこにいくつのクラスターがあり、現在いくつあるか」と言うことができます」と、ホルザプフェルは言います。「そして、それらをあなたの予測と比較してください。」

しかし、これらすべての方法には注意が必要です。彼らは、私たちが重力を十分に理解していると仮定しています。重力は、暗黒エネルギーに対抗する力であるだけでなく、過去4世紀の物理学のまさに基盤でした。

1秒に20回、ニューメキシコ州のサクラメント山脈の高レーザーは、239, 000マイル離れた月に光のパルスを向けます。ビームのターゲットは、40年前にアポロ宇宙飛行士が月面に植えた3つのスーツケースサイズの反射鏡の1つです。ビームからの光子はミラーで反射し、ニューメキシコに戻ります。往復の総移動時間：2.5秒。

その「多かれ少なかれ」がすべての違いを生みます。光速の旅のタイミングをとることにより、Apache Point Observatory Lunar Laser-Rangeing Operation（APOLLO）の研究者は、地球と月の距離を瞬間ごとに測定し、月の軌道を精確にマッピングできます。ガリレオが自由落下の普遍性をテストするためにピサの斜塔からボールを落とすという外伝的な物語のように、APOLLOは太陽の重力場に落ちる2つのボールのように地球と月を扱います。ボルチモアの宇宙望遠鏡科学研究所の天体物理学者であるマリオ・リビオは、それを「絶対に信じられないほどの実験」と呼んでいます。月の軌道がアインシュタインの予測からわずかな偏差さえ示す場合、科学者は彼の方程式を再考しなければならないかもしれません。暗黒物質と暗黒エネルギーの存在。

「これまでのところ、アインシュタインが開催中です」と、APOLLOの主要な観測者の1人である天文学者Russet McMillanは、彼女の5年間のプロジェクトが中間点を過ぎたと言います。

アインシュタインが保持していなかったとしても、研究者は一般相対性理論が修正を必要とすることを認める前に、地球、月または太陽の質量の測定値の誤差など、他の可能性を最初に排除しなければなりません。それでも、天文学者は自分たちの責任で重力を当然のことと考えていることを知っています。彼らは、銀河への重力効果による暗黒物質の存在と、宇宙の膨張に対する反重力効果による暗黒エネルギーの存在を推測しています。重力がどのように機能するかを知っているというこれらの双子の推論の根底にある仮定が間違っているとしたらどうでしょうか？宇宙の理論は、暗黒物質と暗黒エネルギーを仮定するものよりもさらに奇妙な証拠を説明できますか？調べるために、科学者は宇宙全体だけでなく、卓上全体で重力をテストしています。最近まで、物理学者は非常に近い範囲で重力を測定していませんでした。

「驚くべきことではありませんか」と、シアトルのワシントン大学の研究室で行われているいくつかの重力実験のコーディネーターであるエリック・アデルバーガーは言います。「しかし、それをやろうとしても驚くことはないだろう」――1ミリより短い距離で重力をテストしようとした場合。重力のテストは、2つのオブジェクトを互いに近づけて、それらの間の引力を測定するだけの問題ではありません。あらゆる種類のその他のものが重力の影響を及ぼしている可能性があります。

「ここには金属があります」とアデルバーガーは言い、近くの楽器を指しています。「ここには丘があります」-実験室を囲むコンクリートの壁を越えて、ある地点に向かって手を振っています。「あそこには湖があります。」また、土壌には地下水位があり、雨が降るたびに変化します。次に、地球の回転、太陽の位置、銀河の中心にある暗黒物質があります。

過去10年にわたって、シアトルチームは、アインシュタインの重力の方程式が最短距離で成立することを確認するために、56ミクロン（または1/500インチ）までの、より小さな距離で2つのオブジェクト間の重力を測定しましたも。これまでのところ、彼らはそうします。

しかし、アインシュタインでさえ、彼の一般相対性理論が宇宙を完全に説明しているわけではないことを認識していました。彼は自分の人生の最後の30年間を、非常に大きな物理学と非常に小さな量子力学の物理学とを調和させようとしていました。彼は失敗した。

理論家は、一般相対性理論を量子力学と調和させようとあらゆる種類の可能性を考え出しました：平行宇宙、衝突する宇宙、バブル宇宙、余分な次元を持つ宇宙、永遠に再現する宇宙、ビッグバンからビッグクランチへと跳ね返る宇宙バング。

ダークエネルギーの発見についてブライアンシュミットと協力した天文学者であるアダムリースは、科学者が分析を投稿して新しいアイデアを確認するインターネットサイト（xxx.lanl.gov/archive/astro-ph）を毎日見ていると言います。そこに。「それらのほとんどはかなり変です」と彼は言います。「しかし、誰かが深い理論を発表する可能性があります。」

そのすべての進歩について、天文学は誤った、合理的であるとしても仮定の下で働いていたことが判明します。天文学者は、アリゾナ州立大学の理論物理学者ローレンス・クラウスのように、宇宙は私たちのものではないという考えに適応しなければなりません。「ちょっとした公害」と言いました。

しかし、宇宙論者はがっかりしない傾向があります。カリフォルニア大学デービス校の宇宙学者であるアンドレアス・アルブレヒトは、ダークエネルギーに関する最近の会議で次のように語っています。「本当に難しい問題は素晴らしいです」とマイケル・ターナーは言います。「科学の歴史のタイムラインを私の前に置き、私が時間と分野を選択できるなら、これは私がなりたいところです。」

リチャード・パネックは2005年にスミソニアンのアインシュタインについて書いた。ダークマターとダークエネルギーに関する彼の本は2011年に登場する。